SnₓPᵧ 단일층: 높은 안정성, 탁월한 캐리어 이동도, 강자성 거동을 보이는 유망한 2D 소재
초록
강자성, 탄성 이방성, 캐리어 이동도, 조절 가능한 밴드 구조를 갖춘 2차원(2D) 15족 소재를 탐색하는 것은 끊임없이 발전하는 나노소자 개발의 핵심 열쇠입니다. 입자 군집 최적화(PSO) 기법과 밀도 함수 이론(DFT) 최적화를 결합하여, 다양한 x/y 배위수(1/1, 1/2, 1/3 등)를 가진 2D SnₓPᵧ 단일층을 연구했습니다. 70K와 300K에서 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 열적 안정성이 확인되었으며, 이는 새로운 2D 소재가 안정적으로 존재할 수 있음을 나타냅니다. 네 가지 안정한 구조의 전자 밴드 구조 계산 결과, 모든 SnₓPᵧ 단일층은 이축 변형 하에서 완전히 조절 가능하고 유연하게 밴드 갭을 튜닝할 수 있는 반도체임이 밝혀졌습니다. 독특한 원자띠 구조를 가진 P4̅2₁m-SnP₂ 단일층은 '스토너 기준(Stoner criterion)'에 의해 정공 도핑으로 비자성에서 강자성으로 전이할 수 있습니다. Pmc2₁-SnP₂는 면내 탄성 이방성을 가진 직접 천이형 갭 반도체로, kb 방향에서 MoS₂(∼200 cm²V⁻¹s⁻¹)보다 훨씬 높은 800 cm²V⁻¹s⁻¹에 달하는 전자 이동도를 보입니다. 이 소재의 광흡수 피크는 자외선 영역에 위치합니다. 이러한 발견은 나노전자공학 분야에서 떠오르는 2D SnₓPᵧ 구조의 잠재적 응용 가능성을 확장시킵니다.
서론
2차원(2D) 이원 화합물은 고유한 특성으로 인해 최근 몇 년간 광범위한 주목을 받았으며, 나노전자 및 광전자 소재로의 잠재적 응용에 신뢰할 수 있는 지침을 제공합니다[1]. 예를 들어, 그래핀은 발견 이후 그 특성과 잠재적 응용으로 큰 관심을 끌었습니다[2-6]. 하지만 그래핀은 상온에서 감지할 수 없을 만큼 작은 밴드 갭을 가져 광전자 나노소자에 활용하기 어렵습니다. 이러한 어려움이 연구자들에게 이상적인 밴드 갭을 가진 2D 소재 탐색을 촉진했습니다. 이후 질화 붕소(BN)[7], MoS₂ 등의 전이 금속 칼코게나이드[8-13], 전이 금속 삼칼코게나이드[14,15] 등이 등장했습니다. 최근에는 그래핀과 14족 2D 소재(규소렌, 스타넨, 저마네렌)[16] 연구가 괄목할 만한 진전을 보였습니다. 특히 인화린[17-19]과 비소렌[20] 등 15족 2D 반도체 소재가 광전자 소재 분야의 차세대 유력 후보로 부상하고 있습니다. 인화린은 전계 효과 트랜지스터, 광전자 소자, 스핀트로닉스, 가스 센서, 태양전지 등 광범위한 응용 전망을 가지며, 스타넨은 그래핀 이후 우수한 물리적 특성을 가진 신소재로 강한 전자 스핀-궤도 결합으로 주목받습니다.
두 종류의 원소를 합성해 다기능 신소재 2D 물질을 얻는 것이 시급합니다. 합금화가 2D 소재의 특성을 개선하고 적용 범위를 넓히는 데 자주 활용된다는 보고가 있습니다. 예를 들어, 2D MoS₂ₓSe₂₍₁₋ₓ₎ 및 WS₂ₓSe₂₍₁₋ₓ₎ 나노시트[21,22]는 x/y(1/1, 1/2, 1/3 등) 배위수에 따라 조절 가능한 전자적, 광학적 특성과 면내 음의 푸아송비 등 독특한 특성을 보입니다. 또 다른 예로, 2D 합금 소재 SiₓCᵧ[23], BₓCᵧ[24], BₓSiᵧ[25]는 제1원리 계산으로 순수 기초 상태와 다른 새로운 구조, 전자적, 기계적 특성을 나타냅니다. 2D 인화린과 스타넨 단일층이 새로운 특성을 가지므로, Sn과 P 원소를 다양한 화학량론비로 화합시켰습니다.
본 연구에서는 입자 군집 최적화(PSO) 알고리즘으로 몇 가지 구조를 구축한 후, 밀도 함수 이론(DFT) 최적화를 기반으로 서로 다른 배위수를 가진 2D SnₓPᵧ 단일층 중 가장 안정한 네 가지 구조를 선별하고 전자적 특성을 조사했습니다. 계산된 전자 밴드 구조에 따르면, 서로 다른 배위수를 가진 모든 안정한 또는 준안정 단일층은 간접 밴드 갭을 가진 반도체입니다. 더 중요한 것은 Pmc2₁-SnP₂ 단일층이 0.92 eV의 유한한 밴드 갭을 가진 직접 천이형 갭 반도체라는 점입니다. 나아가 Pmc2₁-SnP₂ 구조는 ∼800 cm²V⁻¹s⁻¹의 높은 전자 이동도를 가지며, 이는 MoS₂(∼200 cm²V⁻¹s⁻¹)보다 훨씬 높습니다. P4̅2₁m-SnP₂ 단일층은 독특한 원자띠 구조로 '스토너 기준'에 의해 정공 도핑으로 비자성에서 강자성으로 전이할 수 있습니다. 계산된 전자 밴드 구조는 모든 SnₓPᵧ 단일층이 이축 변형 하에서 유연하게 조절 가능한 밴드 갭을 가진 반도체임을 시사하며, 네 구조의 밴드 갭을 거의 전체 가시광선 영역 내에서 변형 공학적으로 제어할 수 있게 합니다.
계산 방법
구조적 다양성을 철저히 탐색하기 위해 입자 군집 최적화(PSO) 알고리즘[26]을 기반으로 1부터 6까지의 다양한 x, y 값을 고려했습니다. 탐색 결과, 단일층 구조는 y/x ≥ 1일 때 상대적으로 안정적이었습니다.
서로 다른 배위수를 가진 2D SnₓPᵧ 단일층의 전자 구조를 연구하기 위해, 평면파 밀도 함수 이론(DFT)[27,28] 방법을 비엔나 최초 원리 시뮬레이션 패키지(VASP)[29-31]로 구현해 계산했습니다. 교환-상관 에너지는 퍼듀-버크-에른체르호프(PBE) 형태의 일반화 기울기 근사(GGA)[32-35]로 기술했고, 전자-이온 포텐셜은 투영 증폭파 방법[33]으로 설명했습니다. 평면파의 컷오프 에너지는 SnₓPᵧ 시스템에 대해 500 eV로 설정했습니다. 역격자에서 충분히 조밀한 k-포인트(9×9×1)를 브릴루앵 존에서 샘플링했습니다. 인접 슈퍼셀 간 평면에 수직인 진공 공간은 25 Å 이상으로 설정해 복제 간 상호작용을 제거했습니다. 연속 두 단계 계산에서 에너지 수렴값은 10⁻⁵ eV로 설정했습니다. 기하 최적화 과정에서 켤레 기울기 법으로 모든 구조의 원자 힘을 0.02 eV/Å 미만으로 낮춰 원자가 최적 위치에 도달할 때까지 수행했습니다. 또한, Nosé 알고리즘[36]을 사용해 300K에서 최초 원리 분자 동역학(AIMD) 계산에 4×4×1 슈퍼셀을 사용했습니다.
캐리어 이동도는 주로 음향 포논 산란, 광학 포논 산란, 이온화 불순물 산란의 영향을 받습니다. 후자 두 가지는 첫 번째만큼 영향력이 크지 않으므로, 계산된 이동도에는 음향 포논 산란 하의 이동도가 포함됩니다. 이동도는 트랜지스터의 두 가지 성능에 주로 영향을 미칩니다. 하나는 캐리어 농도와 함께 반도체 소재의 전도도(비저항의 역수)를 결정합니다. 둘째, 소자의 동작 주파수에 영향을 줍니다. 바이폴라 트랜지스터의 주파수 응답 특성의 주요 제한은 소수 캐리어가 베이스 영역을 통과하는 시간입니다. 이동도는 2D 반도체 소재의 전도도를 측정하는 중요한 매개변수로, 반도체 소재의 전도도를 결정하고 소자의 동작 속도에 영향을 줍니다. 따라서 캐리어 이동도는 포논 분산에 의해 제어되며, 바딘과 쇼클리[37]가 제안한 변형 포텐셜(DP) 이론으로 설명할 수 있습니다. 2D 소재의 캐리어 이동도는 다음과 같이 표현됩니다[38,39]:
여기서 E는 특정 압력에서 화합물 또는 구성 원소의 에너지입니다. N은 단위 세포 내 원자 수입니다. 계산된 시스템의 음의 생성 에너지는 해당 구성이 안정적이거나 준안정적임을 나타냅니다[41]. 계산된 SnₓPᵧ 단일층의 생성 에너지는 각각 -0.235, -0.223, -0.159, -0.016 eV/원자입니다(표 1 참조). 정의에 따르면 값이 작을수록 안정성이 높습니다. 분명히 P6̅m2-SnP가 이 네 구조 중 가장 안정적입니다. 특히 반도체 소재의 높은 열적 안정성은 전자 소자 응용에서 매우 중요합니다. 여기서는 최초 원리 분자 동역학(AIMD) 시뮬레이션으로 SnₓPᵧ 단일층의 열적 안정성을 검증했습니다. 공간군의 대칭성을 기반으로 P6̅m2-SnP와 Pmc2₁-SnP₂, Pmc2₁-SnP₂와 P4̅2₁m-SnP₂ 구조의 안정성을 각각 계산했습니다. 결과는 구조의 총 에너지 평균값이 거의 변하지 않고, 1ps, 3ps, 5ps 후에도 구조가 유지됨을 보여 SnₓPᵧ 단일층이 열적으로 안정적임을 시사합니다(그림 S1). 또한 포논 분산 곡선을 계산해 허수 진동 주파수가 없음을 확인해 동적 안정성도 입증했습니다(그림 S1). 층상 소재 합성에는 미세 기계적 박리[2], 에피택셜 성장[42], 화학 기상 증착[43], 액상 박리[44] 등 여러 방법이 보고되었습니다. 유사 구조의 일부 소재는 실험적으로 성공적으로 제조되었습니다. 몇 층 GaSe 나노시트가 실험에서 고성능 광검출기로 제작되었다는 관련 보고를 찾았습니다[45]. 또한 MoS₂, GaS, GaSe의 대면적 초박막 층을 SiO₂/Si 기판에 증착해 제조, 분리, 신속하게 특성화했다는 보고도 있습니다[46].
그림 1a, b에서 볼 수 있듯 P3̅m1-SnP 구조는 P6̅m2-SnP 육상 구조와 유사합니다. Pmc2₁-SnP₂ 삼방정 구조(그림 1c)는 x/y 조성이 1/2로 더 증가했음을 보여줍니다. P4̅2₁m-SnP₂와 유사한 구조가 이론 계산으로 안정함이 입증되었습니다[47]. 또한 새로운 연구에 따르면 XY₂ 구조(그림 1d)는 간접 밴드갭 반도체이며, 전기장과 응력에 민감할 수 있습니다. 기술 발전에 따라 우리가 예측한 소재도 미래에 성공적으로 제조될 것이라 믿습니다.
SnₓPᵧ 단일층의 원자 구조 상단 및 측면 뷰: a P6̅m2-SnP, b P3̅m1-SnP, c Pmc2₁-SnP₂, d P4̅2₁m-SnP₂; 페르미 준위(수평 점선)는 0 eV로 이동됨. 진한 분홍색 구는 Sn 원자, 연한 분홍색 구는 P 원자를 나타냄
전자적 및 자기적 특성
SnₓPᵧ 단일층의 계산된 밴드 구조와 상태 밀도는 그림 2에 도시되어 있습니다. 그림 2a에서 P6̅m2-SnP는 1.19 eV의 밴드 갭을 가진 간접 반도체입니다. 원자띠 최대(VBM)는 Γ→K 방향에서 Sn-p와 P-p 오비탈의 혼성화에 기여하며, 전도띠 최소(CBM)는 K 점에서 Sn-s와 P-p 오비탈의 혼성화에서 유래합니다. P3̅m1-SnP는 P6̅m2-SnP와 유사한 전자 밴드 구조를 보이지만 밴드 갭이 1.21 eV로 더 작습니다. P6̅m2-SnP와 P3̅m1-SnP의 Γ 점과 페르미 준위(EF) 근처의 원자띠 분산은 상당히 평탄하여, VBM 근처에 높은 상태 밀도(DOS)와 반 호프 특이점을 가집니다. Pmc2₁-SnP₂는 직접 천이형 갭 반도체 특성(Eg(직접) - Eg(간접) = 6 meV)을 보이며 밴드 갭은 0.72 eV입니다(그림 2c 참조). VBM은 주로 P-p 오비탈에 기인하고, CBM은 주로 P-p 오비탈과 Sn-s 오비탈에 기여합니다. P4̅2₁m-SnP₂는 1.79 eV의 Eg를 가진 간접 밴드갭 반도체이며, 밴드 유래는 그림 2c와 유사합니다. 더 중요한 것은 P4̅2₁m-SnP₂ 단일층이 그림 2a, b와 유사한 조건, 즉 VBM 근처의 평탄한 밴드 분산 특성을 가져 매우 높은 DOS와 반 호프 특이점을 유발한다는 점입니다.
SnₓPᵧ 단일층의 계산된 전자 밴드 구조와 VBM 및 CBM의 부분 상태 밀도: a P6̅m2-SnP, b P3̅m1-SnP, c Pmc2₁-SnP₂, d P4̅2₁m-SnP₂
스토너 기준에 따르면, 운동 에너지가 교환 분할 에너지보다 작을 때, 즉 EF에서의 상태 밀도가 충분히 높을 때 자발적 강자성이 발생합니다. 그림 2d는 VBM 주변의 매우 높은 DOS를 보여주며, P4̅2₁m-SnP₂는 정공 도핑으로 EF를 높은 DOS 위치로 이동시키면 스토너 기준을 만족할 수 있습니다. 그림 3a에서 보듯, 정공 도핑은 적절한 도핑 농도에서 자기 모멘트를 유도할 수 있습니다. 예상대로 계산 결과 P4̅2₁m-SnP₂가 임계 정공 밀도 이상에서 강자성 기초 상태가 될 수 있음을 시사합니다. 정공 밀도 nh는 nh = mh/Scell로 표현되며, Scell과 mh는 각각 원시 세포의 면적과 원시 세포에 도입된 정공 수입니다. 단일층 P4̅2₁m-SnP₂에 정공을 주입하면 실제로 강자성이 유도됩니다. 자기 모멘트는 정공 밀도와 가파른 피크 같은 관계를 보입니다. 시스템에 정공 도핑으로 상당한 스핀 모멘트가 유도되므로, 스핀 분리로 인해 페르미 준위 근처의 에너지 밴드 구조가 크게 변합니다. 특히 7.2×10¹⁴ cm⁻²에서 P4̅2₁m-SnP₂의 스핀 분극 밴드 구조(그림 3b 참조)는 단일층이 완전한 반금속이 됨을 보여줍니다. 따라서 P4̅2₁m-SnP₂ 단일층에서 반금속성을 가진 안정한 강자성 상태가 실현될 수 있음을 예측합니다.
P4̅2₁m-SnP₂ 단일층의 강자성. (a) 스핀 모멘트 대 정공 밀도 nh. b nh = 7.2×10¹⁴ cm⁻²에서 P4̅2₁m-SnP₂의 계산된 원자띠 구조. 스핀 업과 스핀 다운 밴드는 각각 파란색과 빨간색으로 표시. 페르미 준위는 0 eV로 설정
단일층의 탄성 이방성 및 캐리어 이동도
2D 단일층 SnₓPᵧ 구조의 전자적 특성에 대한 변형 효과도 흥미롭습니다. 그림 4a는 이축 변형 ε 하에서 에너지 갭 변화를 보여줍니다. SnₓPᵧ 단일층의 에너지 갭은 몇 가지 규칙에 따라 현저히 조절됩니다. 예를 들어, P6̅m2-SnP의 에너지 갭은 인장 변형이 ε=8%까지 증가함에 따라 1.19에서 0.52 eV로 감소하며, ε=2%까지 1.12에서 1.36 eV로 먼저 증가했다가 1.36에서 0.51 eV로 감소합니다. 또한 Pmc2₁-SnP₂ 구조의 격자 상수 a와 b가 다르므로, x축과 y축을 따라 전자적 특성 변화가 다릅니다(그림 4b 참조)[48]. 단축 변형을 서로 다른 방향으로 가할 때 x 방향과 y 방향의 변화가 분명히 다릅니다. 변형 ε에 따른 에너지 갭 범위를 고려하면, 면내 변형에 의한 밴드 갭 조절 범위가 제1원리 계산 기반으로 거의 전체 가시광선 영역을 커버합니다.
구조의 변형 의존적 전자적 특성: (1) P6̅m2-SnP, (2) P3̅m1-SnP, (3) Pmc2₁-SnP₂, (4) P4̅2₁m-SnP₂. b Pmc2₁-SnP₂의 단축 변형 의존적 전자적 특성. c Pmc2₁-SnP₂ 단일층의 에너지 대 단축 변형
또한 단축 응력의 효과도 조사했습니다(그림 4c). 면내 강성 C2D (C2D = [∂²E/∂δ²]/S₀, 여기서 S₀는 2D Pmc2₁-SnP₂ 단일층의 면적)는 포물선 피팅으로 얻을 수 있습니다. 흥미롭게도 a와 b 방향을 따른 면내 강성 C2D는 각각 12.1과 105.6 N/m로 극명한 탄성 이방성을 보입니다. Pmc2₁-SnP₂가 직접 천이형 갭 반도체 특성을 보이므로, 전자(me = |m*e|)와 정공(mh = |m*h|)의 유효 질량(m* = ℏ²(∂²E/∂K²)⁻¹)도 계산했습니다. 유효 질량은 표 2에 나열되어 있습니다. 가장 흥미로운 점은 kb 방향의 전자 유효 질량(0.15 me)이 ka 방향(1.31 me)보다 훨씬 작아 kb 방향으로 전자가 쉽게 드리프트함을 나타냅니다. 또 다른 중요한 매개변수는 a와 b 방향의 전자에 대한 DP 상수 E₁(E₁ = dEedge/dδ)로 각각 5.36과 11.57 eV로 계산되었습니다. 놀랍게도 계산된 캐리어 이동도는 kb 방향에서 ∼800 cm²V⁻¹s⁻¹에 달합니다. 비교하자면 MoS₂ 단일층의 캐리어 이동도는 실험적으로 ∼200 cm²V⁻¹s⁻¹입니다[8]. 그러나 ka 방향에서는 ∼8 cm²V⁻¹s⁻¹에 불과합니다. 따라서 본 연구에서 발견된 높은 캐리어 이동도는 전자 수송 연구에 큰 의미가 있습니다.
광학적 특성
광전자 소재의 광전 특성은 유전 함수, 광전도도, 흡수 계수로 특징지어집니다. 유전 함수의 허수부는 그림 5a에 도시되어 있습니다. Pmc2₁-SnP₂ 단일층은 ∼0.70 eV에서 흡수가 시작되며, ∼0.9, ∼3.2, ∼4.0 eV에서 세 개의 주요 흡수 피크가 나타납니다. 그림 5b에 나타난 바와 같이, Pmc2₁-SnP₂ 단일층은 가시광선 및 자외선 영역에서 세 방향 모두 흡수도를 보입니다. 따라서 Pmc2₁-SnP₂ 단일층 소재는 원자 수준의 얇은 태양광 차단 광검출기, 예를 들어 화염의 효율적 감지 등에 활용될 수 있습니다.
a Pmc2₁-SnP₂의 다양한 입사광 방향에 따른 계산된 유전 함수 대 에너지. b 계산된 허수 흡수 계수
결론
요약하면, PSO 알고리즘과 제1원리 계산을 결합해 x/y = 1:1 및 1:2 비율의 여러 2D SnₓPᵧ 단일층을 확인했습니다. 놀랍게도 이 새로운 단일층들은 독특한 전자적 및 자기적 특성을 가집니다: P4̅2₁m-SnP₂ 단일층은 독특한 원자띠 구조로 '스토너 기준'에 의해 정공 도핑으로 비자성에서 강자성으로 전이할 수 있으며, Pmc2₁-SnP₂ 구조는 면내 탄성 이방성을 가진 직접 천이형 갭 반도체로 kb 방향에서 MoS₂(∼200 cm²V⁻¹s⁻¹)보다 훨씬 높은 800 cm²V⁻¹s⁻¹의 전자 이동도를 보입니다. 이 소재의 광흡수 피크는 자외선 영역에 있습니다. 이러한 발견은 나노전자공학 분야에서 떠오르는 2D SnₓPᵧ 구조의 잠재적 응용을 확장시킵니다. 이러한 다기능 SnₓPᵧ 단일층의 바람직한 특성은 전자공학과 광전자공학에서 유망한 응용 전망을 제공합니다.